高中计算思维技能培养教材的设计与开发

阎姝宇，骆科亚，寸珊娜，许靖宇

（天津师范大学教育学部，天津 300000)

1 研究背景

着眼于高考改革新模式的发展走向与教育领域可预见性的全面改革，为着力推动构建高中阶段基本普及的社会新形势，教育部重新修改订正了普通高中的课程方案和课程标准，为全体国民素质提供强化助推力，同时将提升创新型人才培养质量作为新时代强根铸魂的发展需求。对比《普通高中信息技术课程标准(2017 年版2020 修订版）》（以下简称“新课标”) 与《普通高中信息技术课程标准（实验）》（以下简称“老课标”)，计算思维登上信息技术学科核心素养的舞台，为信息技术学科的培养目标提供了思维站位的蝶变空间。异于老课标侧重对操作行为的培养，新课标围绕数据、算法、信息系统、信息社会四大概念，将这一核心素养在课程教学中予以实现促成为亟须解决的问题——即如何从培养思维能力的角度强调分解、抽象、评估和迁移[1]。

新课标中25 次提及“自主可控”、5 次提到“原始创新”、4次提到“原创精神”，强调信息技术课程对“促进科技创新自主可控、维护国家安全”的重要“基础性意义”，因此，信息技术课程明确成为培养学生信息思维与科技能力的重要载体[2]。持续更新换代的信息技术对日常生活学习所产生的影响是自然而然地进行内化转移或外显转变的，具有忽略时空限制的继承性和持久性，而计算思维作为一种必备的态度与技能，应该被每个人学习和应用[3]。

对现有问题进行阐释，在理解的基础上完成对其的解决这一筹思步骤，最终形成的解法对策能够被信息处理机构有效执行——该过程即计算思维。老课标过于强调对操作和行为的训练，是以技术为导向，以熟练程度和技巧为方向的教学过程。新课标则是呼吁信息技术课程内容转向注重对思维能力和能动意识的培训，是以科技为导向，以举一反三和融会贯通为桥梁，致力于提升学生的适应力、胜任力和创造力。

2 文献综述

计算思维概念最早是在1996 年由麻省理工学院(MIT) 的Seymour Papert 教授提出[4]。2006 年3 月，美国卡内基·梅隆大学的周以真教授对计算思维再次做出定义，从此计算不再单纯是编程的指代，而是通过抽象过程描述并解决实际问题，将人类行为与信息处理流程相串联。

近年来针对基础教育阶段提出了几种培养方式：使用机器人参与课程建构[5]、借助游戏活动或教学游戏化[6]和利用编程软件[7]。但以上三种方式均有局限，如现在教育机器人仍然处于研发进步阶段，成果产出不明显，且生产、维修价格相对较高，使得教学活动难以有效开展；如多数游戏化教学的开展只针对解决单一问题，缺少系统性的计算思维培养过程；如多数用于教学的编程软件均采用图形化编程软件进行，更适用于小学、初中学段。少数采用代码化的编程平台更适用于大学阶段教学。

综上，高中生缺乏对算法理论化的学习资源[8]，如何将理论化的算法知识以计算思维培养的形式为学生开展教学，成为本研究的重点之一。

目前信息技术教学模式仍有不足，具体表现为互动模式过于单一化、形式化。这样的模式一方面很难实现人机之间的主观能动选择，也很难实现人机之间的迁移和整合。同时人机之间依托技术进行互动的过程也褪去创新底色，学生越来越少地在作业中表现自己的想法，很难做到知识的复述与加工。

评价方式过于单一。大部分学校仅重视学业水平考试成绩，对于学期测评并没有纳入考评，忽略了平时的学习效果评价，致使教师在教学上热情不高，学生对课程内容失去兴趣，进而导致忽视信息技术课程内容的现象发生。

随着新课标的全面推进，应有意识地利用计算工具分解、抽象、迁移作为解决问题的思维过程，并以其为目的，促使生活经验在解决问题的过程中得以获取，保证实际行为在生活经验的取得中得以体现，让计算思维真正发挥其教育作用与创新精神。设计并开发一套完整的、以计算思维技能培养为主导的高中信息技术教材可以有效解决上述问题。

3 设计依据

本项目以东北师范大学于颖博士提出的教材结构设计理念框架CTACK 作为培养计算思维教材设计的理念框架和理论依据[9]。如图1所示，在该框架中，把“双基”定位为专业知识，对应信息技术学科中的“专业知识”，把“问题解决”定位为活动，对应教与学的活动过程与教与学的方法，把学科思维定位为信息技术学科四大核心素养中的计算思维。

图1 CTACK关系框架简图

在关系框架中包含了完整的信息技术学科核心素养，其中，计算思维作为关键技能对其他三个核心素养起引领作用，在培养学生计算思维技能的同时，也逐步发展学生的信息意识、数字化学习与创新以及信息社会责任。学科知识为框架图的最底层，支撑活动的开展并为其提供底层逻辑。学生从一系列学习活动中不断提取、凝练和总结方法论，从而不断促进其计算思维技能的形成。在设计培养学生计算思维技能的教材时，可逆向分析此关系框架简图，首先将计算思维解构为抽象、程序化、分解、评估、概括五个关键技能，再设计与之匹配的教学活动，从教学活动中提取与凝练学科知识，这样有利于促进学生逐步内化和吸收在学习学科知识和参与相应教学活动过程中形成的方法论，并将其进一步转化形成学生的计算思维技能。

综上所述，本项目设计以计算思维为导向、在CTACK理论框架指导下，面向具有学科育人功能的新型高中信息技术校本教材。

4 教材设计与开发

4.1 教材结构和功能

在水平维度，本教材选择了合适的信息技术学科教学理念，从信息技术学科思维的角度考虑了教材资源所承载的更高层次的知识形态，并根据横向层面将各核心章节的教学内容转化为不同的课程内容。

在垂直维度层面上，由于学生的年龄水平和发展阶段不同，在设置教学重点和难点时，呈现一个逐渐从容易到困难螺旋上升的过程，最终形成垂直难度内容水平序列。在不同内容水平的要求下，其学习根据学生的个人能力逐渐进一步提高学习垂直深度。

在深度维度层面，本教科书借助实际案例解释，使学生能够更好地积极地与教科书资源互动，获得有意义的知识形状。根据信息技术核心素养的培养要求，加强教科书资源和课程内容的综合性、具体性和发展性，使学生获得更多的方式知识和价值知识，将教科书资源和课程内容转化为学生独立改进的个人知识体系。

4.2 核心素养维度要素

信息技术学科核心素养的落地，教材成为重要影响因素之一。为符合信息技术学科核心素养，采取案例学习作为主要方式，能够驱动学生进行良好的合作探究式学习，完成学习活动的过程中，掌握基本知识提升学习体验。

层级合理、内容适量、避免成为“满堂灌”的知识课堂，围绕信息技术课程标准进行编写，结合现实生活情境，强调学生利用计算思维帮助自己分析问题、解决问题。

能够将理论学习和实践迁移相结合，能够良好地映射CTACK框架对教材结构的作用。

4.3 指向信息技术学科大概念

“学科大概念”是课程设计思想和理论的载体，其作用为整合过去离散的学科知识，提供强有力的学科知识核心支撑，学生依靠“概念锚”充分挖掘课程核心，有效洞察学科知识和内化迁移已学知识，真正获得信息技术学科素养[10]。

本教材以现实世界案例作为支撑，根据以学生为主体，教师主导的教学方法，在教材的深入指导下，以学生为主体，以问题为基础，根据思考和讨论，围绕问题收集数据，发现和解决问题，培养学生的自学能力和创新能力。

4.4 具体设计流程

首先，明晰现阶段的要求，在已提出的基础知识与“基本技能—问题解决—学科思维”三层架构下，掌握推出CTACK 框架的理论推理流程，并深入理解其应用原理。清楚对计算思维从“抽象、程序化、分解、评估、概括”五个方面的解构及其理论来源，掌握其中的分类依据，为后续教材结构设计、知识分类、教材内容设计等步骤做好铺垫[11]。

其次，基于已掌握的CTACK 框架进行教材结构设计。通过CTACK 框架搭建具体的教材结构，为教材的模块、章节、课程等内容提供前提与保障。

再次，将计算思维技能培养的知识进行整理与分类，从“抽象、程序化、分解、评估、概括”五个方面解构的结果，按照前期完成的教材结构设计，进行教材的详细设计。结合教学设计的相关理论，完成每一节课的教学设计，建立课程教学内容学习评价机制，完成试题编制、考核标准等教学评价的设计，从而完成教材主体内容。

最后，对教材界面与版式进行设计，结合前期完成的教材主体内容，完善数字化资源的开发，对全部内容进行资源整合，完成纸质教材与数字化资源结合下的立体化教材开发。尝试将教材应用于实际教育教学过程中，根据反馈不断迭代、完善。结合实际教材应用情况，开发辅助教学使用的教案、PPT、教学参考资料等资源。

在整体上先对教材进行整体的主体编写与开发，完成主体开发后，再逐步依据理论与实践反响进行修改，最后完成相应的教学设计。

4.5 教材主体开发

4.5.1 主体模块

此模块对学生将抽象问题具体化的能力要求较高，不适合使用传统的教学方式进行教学，因此，使用以学生为主体，教师为主导的教学方法。使用此教学方法帮助学生学习，培养信心，促进知识内化。同时，为了防止大量知识对学生造成认知负荷，引起学生对学习感到疲倦或产生厌恶感，本部分选择使用案例引起学生学习兴趣。学生通过学习理解日常生活案例，在问题解决的过程中深化学科核心素养，提升专业技能，并积累实践经验，促进计算思维的形成。

4.5.2 拓展链接

此模块介绍了与本课程相关的拓展内容，技术前沿和相关知识发展趋势，并以知识卡片的形式呈现。在有限的范围内扩展学生的知识图谱，为学习能力强、对仅仅学习基础知识不满意的学生提供不断深化学习的知识渠道。在最后一个模块中呈现“拓展链接”，为以后的学习打好基础，建立起新旧知识的连接。拓展链接有利于培养学生学习的个性化特征，有利于学科核心素养的产生，充分体现了教材设计的时代性和合理性。

4.5.3 问题讨论

此模块设立问题讨论活动。学生能够在问题讨论的过程中产生思维碰撞，了解他人的思考方式以及想法，并与自身的对比整合。在此过程中，学生能够学会与同龄人交往，学会分享，最大限度地发挥信息的价值，并感知自身的认知与其他同学的差异，不断发展。此外，在同学之间，学生能够更好地发挥和表现自己，减少了课堂上回答问题时的紧张和局促感。问题讨论是培养学生表达能力、分享能力以及创新学习能力的重要手段，能够激发学生的学习热情，提高学生在课堂中的参与度和参与感，使学生在彼此的差异感知体验中深化计算思维的学习。

4.5.4 思考与练习

此模块是在学生掌握和理解基本知识后进行具体实践。旨在培养学生解决问题和实践创新能力，实现对课上所学知识和技能的扩展训练。该模块要求学生独立完成项目活动，并根据“抽象-程序化-分解-评估-概括”五个方面解构问题，从而使计算思维进一步得到强化[12]。

5 结束语

教材设计需要不断满足国家战略和社会对人才的需求，设计者应准确把握教材内容的时代性与形成性，在不断实践的过程中，对教材内容进行反复打磨润色。教材是课程理念的具体体现，也是师生教与学的重要载体。在实践教学的过程中要善于总结发现学生是否真正内化所学的知识，能够将学到的知识运用到实际的问题解决中去，进而对教材进行二次开发。